ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Специфика свойств дисперсных систем из "Курс коллоидной химии" Со времени выхода в свет первого издания прошло десять лет. Второе, переработанное и дополненное издание учитывает главные направления и перспективы современной коллоидной химии. Основу составляет лекционный курс коллоидной химии для студентов химического факультета Ленинградского государственного университета им. А. А. Жданова, соответствующий утвержденной программе. Внимание преимущественно сосредоточено на разделах, наиболее существенных для коллоидно-химического восприятия мира, необходимого, по мнению автора, для всех лиц, специализирующихся в области химии и многих других дисциплин, соприкасающихся с коллоидным состоянием материи и дисперсными системами. [c.6] Такими основными разделами автор считает поверхностные явления и адсорбцию, в частности, электроповерхностные явления, устойчивость и структурообразование в дисперсных системах и учение о поверхностно-активных веществах. [c.6] В поисках общности свойств систем различного типа и единства различных форм выражения явлений автор пытается вскрыть причинные связи, необходимые для обобщения установленных й обнаружения новых закономерностей. [c.6] В этом издании увеличено число библиографических ссылок, что может быть использовано научными и инженерно-техническими работниками для углубленного изучения ряда вопросов. Ввиду включения нового материала, для сохранения целесообразного объема автор счел возможным сократить некоторые математические операции в ходе выводов однако во всех случаях исходные положения, граничные условия, путь доказательства и обсуждение результатов были сохранены со ссылкой на авторитетный источник. [c.6] Современная коллоидная химия — учение о высокораздробленном состоянии вещества — с полным правом может быть названа наукой о коллоидах и поверхностях. Основной коллоидно-хими-ческой характеристикой является дисперсность, т. е. рассеянность (раздробленность) вещества. Конечно, в широком смысле слова дисперсность на молекулярном уровне, атомном, ядерном и т. д. присуща любому веществу и представляет собой зернистость материи. В коллоидной химии понятие дисперсности простирается на широкую область размеров тел от больших, чем простые молекулы, до видимых невооруженным глазом, т. е. от 10 до 10- см. [c.7] Эта область охватывает коллоидное состояние, в котором не только могут быть, но обычно и существуют все реальные тела Поэтому следует говорить о коллоидном состоянии как о всеобщем особом состоянии материи. Главная черта этого особого состояния — ведущая роль поверхностных явлений. Действительно, дробя, измельчая любое твердое тело, мы непрерывно увеличиваем его суммарную поверхность, сохраняя неизменными суммарный объем и массу. Таким образом, по мере роста дисперсности увеличивается и удельная поверхность, приходящаяся на единицу массы So = s/m, достигая в коллоидной области весьма больших значений— сотен м /г. [c.7] Таким образом, современная коллоидная химия изучает как грубодисперсные системы (например суспензии, эмульсии, порошки) с размерами частиц более 1 мкм (10- —10 см), так и высокодисперсные или собственно коллоидные системы с размерами, меньшими 1 мкм ( 10-б м = 10 см), а именно от 1 мкм до 1 нм (10- —10 см). [c.8] Выделение коллоидной химии как самостоятельной области знания на основании указанного количественного признака может показаться механистическим. Однако такое выделение имеет необходимые и достаточные основания, так как определенной форме соответствует в этой области свое специфическое содержание и именно здесь количественные изменения приводят к возникновению нового качества. Так, коллоидные частицы обладают более интенсивной окраской, большей прочностью и твердостью, чем крупные частицы того же вещества. Многие вещества, практически не растворимые, заметно растворяются в коллоидном состоянии. Наряду с изменениями свойств появляются и совершенно новые, характерные для коллоидного состояния свойства. [c.8] Таким образом, новое качество соответствует появлению в коллоидной области новой независимой переменной — дисперсности, функциями которой (обычно экстремальными) становятся все свойства вещества. Увеличение числа переменных усложняет систему. Усложняются и законы, поскольку они являются обобщением свойств. Многие основные законы [например, закон постоянства состава, закон Фарадея, правило фаз (см. далее)] в коллоидной области приобретают совершенно иное звучание. [c.8] Это не удивительно, потому что законы физической химии были установлены для идеализированных предельных систем (идеальных газов, бесконечно разбавленных растворов и других моделей) с перспективой дальнейшего их усложнения на пути к реальным условиям. Реальный окружающий нас мир, как и мы сами, состоит из дисперсных систем. Поэтому применение законов химии к реальному миру неизбежно несет на себе отпечаток коллоидно-химиче-ского своеобразия. Изучение этих качественных особенностей при переходе от химических веществ и предельных систем к реальным телам и материалам и составляет предмет коллоидной химии. Коллоидную химию можно назвать химией реальных тел. В этом заключается принципиальное значение, самостоятельность и особая привлекательность коллоидной химии. [c.8] Прежде всего тем, что в этом состоянии значительная доля от всех молекул или атомов, составляющих вещество, находится на поверхности раздела фаз (например, между твердой и жидкой), эти молекулы являются особенными (отличными от других при том же составе) не только по своему положению в несимметричном силовом поле, но и по своему энергетическому состоянию. Действительно, создание новой межфазной поверхности требует затраты работы по разрыву связей, значительная часть которой накапливается в виде избыточной потенциальной энергии здесь же на межфазной границе. [c.9] Таким образом, особенные молекулы должны обладать избыточной свободной энергией. Например, для частицы кубической формы с длиной ребра /—10 см, на котором помещается 5000 молекул (считая, что размер молекулы = 0,2 нм = 2Х X 10 см), доля особенных молекул составляет всего 0,1 %, но для частицы с / = 2-10- см (на ребре л 10 молекул) доля особ ных составит около половины от всех молекул или атомов. Так, в высокодисперсных активных углях из каждых двух атомов углерода один находится на поверхности и может непосредственно взаимодействовать с молекулами другой фазы. Конечно, эта доля при дальнейшем диспергировании начнет опять уменьшаться, поскольку особенными (отличными от других) будут уже объемные молекулы, находящиеся в глубине твердой фазы. Наконец, особенг ных молекул не будет совсем (например, для кубика, состоящего из 8 молекул) и поверхность раздела фаз потеряет физический смысл, так как исчезнет тот объем, по верху которого она располагается. [c.9] Следовательно, зависимость доли особенных молекул, удельной поверхности 5о и поверхностной энергии (С/ ) от дисперсности выражается кривой с максимумом. Неограниченное диспергировайие гетерогенной дисперсной системы переводит ее в гомогенный молекулярный раствор. Этот переход сочетает единство непрерывности и скачка, как и обратный процесс,— возникновения новой фазы в гомогенной среде, т. е. происходит переход количественных изменений в качественные, характеризуемый, как известно, мерой. Мера определяется той закономерностью, которую объективно отражает наше сознание при исследовании того или иного конкретного коллоидно-химического свойства. [c.9] Неодинаковость, неоднозначность молекул одного химического состава, связанная с существованием поверхностей раздела, предопределяет замечательное своеобразие свойств дисперсных систем, отличающихся как от молекулярных растворов, так и от крупных тел, где этой неодинаковости не обнаруживается. Увеличение удельной поверхности с ростом дисперсности и, следовательно, возрастание роли поверхностных явлений (происходящих в поверхностных слоях)—основа единства рассмотрения дисперсных систем и поверхностных явлений. Это единство и составляет содержание современной коллоидной химии, определяемой часто как физико-химия дисперсных систем и поеерхностных явлений (П. А. Ребиндер). [c.10] Реальные тела взаимодействуют между собой и с окружающей средой. Поверхность раздела и является той арелой , на которой разыгрываются все межфазные взаимодействия. Поэтому изучение особенных свойств поверхностных слоев необходимо для понимания структуры той совокупности тел, которая составляет реальный мир. [c.10] Таким образом, основная и важнейшая особенность коллоидного состояния заключается в том, что значительная доля всей массы и свободной энергии системы сосредоточены в межфазных поверхностных слоях. [c.10] Следует отметить также ряд свойств, связанных с этой основной особенностью, но имеющих самостоятельное значение. Так, молекулы, расположенные в поверхностном слое на границе раздела фаз, не только отличаются от объемных, но различаются и между собой. [c.10] Поверхность реальной частицы твердого тела состоит из выступов, впадин, участков различной кривизны. Силовое поле и, следовательно, локальные значения поверхностной энергии различны на этих участках поэтому две системы одного и того же состава с одинаковой удельной поверхностью могут оказаться энергетически неравноценными, и при переходе от обычных физико-химических систем к коллоидному состоянию впервые появляется такое свойство, как невоспроизводимость системы, ее индивидуальность. Например, в технологическом процессе, полностью отработанном и совершенно стандартном, не всегда удается получить равноценные, одинаковые образцы активного угля. [c.10] Как известно, сфера среди тел любой формы обладает наименьшей поверхностью при данном объеме и процесс образования сфер идет самопроизвольно в соответствии со вторым началом термодинамики. В сферической капле все поверхностные молекулы не различимы между собой, но отличаются от объемных своей ориентацией. Поверхностные слои обычно характеризуются дальним порядком расположения ориентированных молекул (гл. VHI). Эта особенность весьма важна, ибо в результате организации микроструктур в дисперсных системах часто образуются ориентированные макроструктуры. [c.11] Вернуться к основной статье